Вольфрам - это химический элемент 4-й группы, имеющий атомный номер 74 в периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева, обозначается W (Wolframium). Металл был открыт и выделен двумя испанскими учеными-химиками братьями д"Элуяр в 1783 году. Само название "Wolframium" перешло на элемент с ранее известного минерала вольфрамит, который был известен ещё в XVI в., его тогда называли "волчья пена", или "Spumalupi" на латыни, на немецком языке данное словосочетание звучит как "WolfRahm" (Вольфрам). В настоящее время в США, Франции, Великобритании и некоторых других странах для наименования вольфрама используется название "tungsten" (от шведского tungsten, что переводится как "тяжелый камень").
Вольфрам - твердый переходный металл серого цвета. Основное применение вольфрама - роль основы в тугоплавких материалах в металлургии. Вольфрам является крайне тугоплавким, в нормальных условиях металл химически стоек.
От всех других металлов вольфрам отличается необычной твердостью, тяжестью и тугоплавкостью. Плотность данного металла почти вдвое больше чем у свинца, если быть точным, то в 1,7 раза. При всем этом атомная масса вольфрама ниже и имеет значение 184 против 207 у свинца.
Вольфрам - металл светло-серого цвета, показатели температуры плавления и кипения у данного металла самые высокие. Благодаря пластичности и тугоплавкости вольфрама есть возможность его использования в качестве нитей накаливания осветительных приборов, в кинескопах, а также в других вакуумных трубках.
Известны двадцать вольфрамовых минералов. Самые распространенные: минералы группы шеелита вольфрамита, которые имеют промышленное значение. Реже можно встретить сульфид вольфрамита, т.е. тунгстенсит (WS2) и окисноподобные соединения - ферро - и купротунгстит, тунгстит, гидротунгстит. Широко распространены вады, псиломеланы с высоким содержанием вольфрама.
вольфрамовая нить фюзеляж самолет
В зависимости от условия залеганий, морфологии и типа вольфрамовых месторождений при их разработке используются открытые, подземные, и комбинированные способы.
В настоящее время нет методов получения вольфрама непосредственно из концентратов. В связи с этим сначала из концентрата выделяют промежуточные соединения, а из них потом получают металлический вольфрам. Выделение вольфрама включает: разложение концентратов, затем переход металла в соединения, из которых он отделяется от остальных сопровождающих его элементов. Выделение вольфрамовой кислоты, т.е. чистого химического соединения вольфрам, продолжается последующим производством вольфрама в металлическом виде.
Вольфрам используется в производстве машин и оборудования металлообрабатывающей, строительной и горнодобывающей промышленности, при изготовлении светильников и ламп, в транспорте и электронной индустрии, в химической промышленности и прочих сферах.
Изготовленный из вольфрамовой стали инструмент способен выдерживать огромные скорости интенсивнейших процессов в металлообработке. Скорость резания с использованием такого инструмента обычно измеряется в десятках метров за секунду.
Вольфрам довольно слабо распространен в природе. Содержание металла в земной коре по массе составляет около 1,3·10 ?4 %. Основными минералами, содержащими вольфрам, являются природные вольфраматы: шеелит, первоначально называемый тунгстеном, и вольфрамит.
Производство вольфрама
Первой стадией при получении вольфрама является обогащение руды, т.е. отделение ценных компонентов из основной рудной массы, пустой породы. Используются такие же методы обогащения, как и для других тяжелых металлических руд: измельчение и флотация, а затем магнитная сепарация (вольфрамитные руды) и окислительный обжиг. Полученный таким методом концентрат обычно сжигают с избытком соды, приводя вольфрам тем самым в растворимое состояние, т.е. в вольфрамит натрия.
Другой метод получения данного вещества - это выщелачивание. Вольфрам извлекается при помощи содового раствора при повышенной температуре и под давлением, затем следует нейтрализация и выпадение осадка вольфрамата кальция, т.е. шеелита. Шеелит получают потому, что из него довольно легко добыть очищенную окись вольфрама.
CaWO 4 > H 2 WO 4 или (NH 4) 2 WO 4 > WO 3
Окись вольфрама получают еще и через хлориды. Концентрат вольфрама обрабатывают газообразным хлором при повышенной температуре. При этом образуются хлориды вольфрама, которые путем возгонки легко отделяются от других хлоридов. Полученный хлорид можно пустить на получение окиси либо сразу добывать из него металл.
На следующем этапе окиси и хлориды преобразуются в металлический вольфрам. Для восстановления вольфрамовой окиси лучше всего использовать водород. При таком восстановлении металл получается наиболее чистым. Восстановление окиси проходит в специальной трубчатой печи, где "лодка" с WO 3 продвигается через несколько температурных зон. Навстречу "лодочке" поступает сухой водород, Восстановление оксида происходит в горячих (450-600°C) и холодных зонах (750-1100°C). В холодных зонах происходит восстановление до WO 2 , а дальше - до металла. С течением времени прохождения по горячей зоне, крупицы порошкового вольфрама изменяют свой размер.
Восстановление может проходить не только под при подаче водорода. Часто используется уголь. За счет твердого восстановителя производство упрощается, но температура в данном случае должна достигать 1300°C. Сам уголь и примеси, которые в нем всегда содержатся, вступая с вольфрамом в реакцию, образуют карбиды др. соединения. В результате металл загрязняется. А ведь в электротехнической отрасли используется только высококачественный вольфрам. Даже 0,1% примеси железа делают вольфрам для изготовления наиболее тонкой проволоки, т.к. он становится намного более хрупким.
Выделение вольфрама из хлоридов основывается на пиролизе. Вольфрам и хлор образуют некоторые соединения. Избыток хлора позволяет всех их перевести в WCl6, а он в свою очередь при температуре 1600°C разлагается на хлор и вольфрам. Если присутствует водород, процесс начинается идти при 1000°C.
Именно так получают вольфрам в виде порошка, который потом прессуется при высокой температуре в токе водорода. Первая стадия прессовки (нагревание примерно до 1100-1300°C) дает ломкий пористый слиток. Затем прессование продолжается, а температура начинает повышаться почти до температуры плавления вольфрама. В такой среде металл начинает становиться сплошным и постепенно приобретает свои качества и свойства.
В среднем 30% получаемого в промышленности вольфрама - это вольфрам из вторсырья. Вольфрамовый лом, опилки, стружки и порошок окисляют и переводят в паравольфрамат аммония. Как правило, лом режущих сталей утилизируется на предприятии, производящем эти же стали. Лом из электродов, ламп накаливания и химических реактивов почти нигде не перерабатывают.
Имеющий светло-серый цвет. В периодической системе Менделеева ему принадлежит 74 порядковый номер. Химический элемент является тугоплавким. В своем составе он содержит 5 стабильных изотопов.
Химические свойства вольфрама
Химическая стойкость вольфрама на воздухе и в воде достаточно высока. При нагревании подвержен окислению. Чем больше температура, тем выше скорость окисления химического элемента. При температуре, превышающей 1000°С, вольфрам начинает испаряться. При комнатной температуре , соляная, серная, плавиковая и азотная кислоты не могут оказывать на вольфрам никакого действия. Смесь азотной и плавиковой кислот растворяют вольфрам. Ни в жидком, ни в твердом состоянии вольфрам не смешивается с золотом, серебром, натрием, литием. Также не происходит взаимодействия с цинком, магнием, кальцием, ртутью. Вольфрам растворим в тантале и ниобии, а с хромом и молибденом может образовывать растворы как в твердом, так и в жидком состоянии.
Применение вольфрама
Применяют вольфрам в современной промышленности как в чистом виде, так и в сплавах. Вольфрам относится к износоустойчивым металлам. Часто сплавы, имеющих в составе вольфрам, применяют для изготовления лопастей турбин и клапанов авиадвигателей. Также этот химический элемент нашел свое применение для изготовления различных деталей в рентгенотехнике и радиоэлектронике. Вольфрам используют для нитей электроламп.
Химические соединения вольфрама в последнее время нашли свое практическое применение. Гетерополикислота фосфорно-вольфрамовая используется при производстве ярких красок и лаков, устойчивых на свету. Для изготовления светящихся красок и изготовлении лазеров применяются вольфраматы редкоземельных элементов, щелочноземельных металлов и кадмия.
Сегодня традиционные обручальные кольца из золота стали заменять изделиями из других металлов. Популярность приобрели кольца обручальные из карбида вольфрама. Такие изделия отличаются высокой прочностью. Зеркальная полировка кольца со временем не тускнеет. Изделие сохранит свое первоначальное состояние на весь срок использования.
Вольфрам используют в виде легирующей добавки для стали. Это придает стали прочность и твердость при высокой температуре. Таким образом, инструменты, изготовленные из вольфрамовой стали, обладают способностью выдерживать весьма интенсивные процессы металлообработки.
Вольфрам - химический элемент с атомным номером 74 в периодической системе, обозначается символом W (лат. Wolframium).
Атомный номер - 74
Атомная масса - 183,84
Плотность, кг/м³ - 19300
Температура плавления, °С - 3410
Теплоемкость, кДж/(кг·°С) - 0,134
Электроотрицательность - 1,7
Ковалентный радиус, Å - 1,30
1-й ионизац. потенциал, эв - 7,98
История открытия вольфрама
Открытие вольфрама связано с именами шведского химика Карла Вильгельма Шееле (известного своими научными исследованиями и открытиями многих веществ, в частности, он первый открыл хлор), а также испанских химиков, братьев д"Элуяр (д"Эльгуайр).
В 1781 году Шееле, исследуя минерал тунгстен, в переводе на русский язык тяжелый камень, установил, что он является соединением кальция с неизвестной кислотой, которую К. Шееле назвал тунгстеновой. Эту же кислоту в 1783 году обнаружили братья д"Элуяр в другом минерале в вольфрамите. Вольфрамит был известен давно и часто встречался в оловянных рудах. Знаменитый ученый XVI века Агрикола сказал о нем «пожирает олово, как волк овцу», так как при плавке оловянных руд вместе с вольфрамитом в пену шлака всплывало значительное количество олова. Именно поэтому Агрикола назвал этот минерал волчья пена. У нас на Урале вольфрамит был известен как «волчец».
Получив тунгстеновую кислоту (сейчас она называется вольфрамовой) из вольфрамита, братья д"Элуяр при помощи углерода сумели из нее извлечь новый элемент в виде чистого металла, который по аналогии с исходным минералом был назван вольфрамом. Во многих странах, в частности в Англии и Соединенных Штатах Америки, этот минерал имеет название тунгстен, а термин вольфрам иногда употребляется применительно к минералу вольфрамиту.
Следует заметить, что тунгстен, минерал, в котором К. Шееле впервые установил новый элемент, переименован и назван в честь этого химика шеелитом.
Нахождение вольфрама в природе
Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т. Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных - 0,1, основных - 0,7, средних - 1,2, кислых - 1,9.
Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO 3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO 4 * mMnWO 4 - соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO 4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.
Общие мировые запасы вольфрама (без России) составляют около 7,5 млн тонн, подтвержденные запасы около 4 млн тонн. Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 18-20 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 10, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.
Получение вольфрама
Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO 3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре около 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200-1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.
Если хотят получить более компактный образец вольфрама, порошок спрессовывают. В промышленности из него получают штабики плотностью 13-15 г/см 3 , но они обладают низкой механической прочностью, поэтому дальше их спекают. Нагрев до 2000 °C в вакууме или в атмосфере водорода проводят прямым пропусканием электрического тока через металл. Размеры штабиков после спекания уменьшаются, а плотность возрастает до 17,5 г/см 3 .
Кроме электронно-лучевой плавки, существует еще один способ расплавить вольфрам. Это аргонно-дуговая плавка. Таким же методом изготовлен один из образцов рения. В отличие от электронно-лучевой плавки, при плавлении в дуге примеси летучих металлов удаляются хуже (поскольку плавление проводят при атмосферном давлении, а не в вакууме). Но именно этот метод позволяет приготовить сплавы вольфрама с такими летучими металлами, которые в вакууме запросто улетают из сплава.
Получение кристаллов вольфрама
Плотность вольфрама больше плотности железа в два с половиной раза! (И в семь раз больше плотности алюминия.) Она почти равна плотности золота (отличается менее, чем на 1%). Кристаллы вольфрама выращивают зонным методом, с нагревом электронным пучком. При этом методе, заготовка (вольфрамовый штабик) укрепляется вертикально в вакуумной камере. Вокруг заготовки располагается кольцевой катод электроной пушки, с которого вылетают ускоренные высоким напряжением электроны. Попадая на образец, они вызывают расплавление его небольшого участка. В полученной расплавленной зоне, жидкий металл удерживается от стекания силами поверхностного натяжения от стекания. Катод (а вместе с ним и расплавленная зона) медленно продвигается вдоль кристалла. При этом происходит несколько полезных процессов: все летучие примеси улетают из образца (в вакуумной камере поддерживается давление ниже 10 -5 мм рт. ст., а температура составляет 3500 градусов – при таких условиях большинство примесей покидает образец в виде пара); после нескольких проходов, как и при зонной плавке, оставшиеся нелетучие примеси концентрируются с одной из сторон образца. Также, происходит направленная кристаллизация слитка, которая при использовании затравки позволяет получить монокристалл с заданной ориентацией. Такие монокристаллы применяются для изготовления анодов рентгеновских трубок, в физических исследованиях. Нити накала высококачественных галогенных ламп также изготавливаются из монокристаллических слитков, что позволяет продлить их срок службы в несколько раз.
Физические свойства вольфрама
Вольфрам - светло-серый металл, имеющий самые высокие температуры плавления и кипения.
Некоторые физические свойства приведены в таблиц. Другие физические свойства вольфрама:
Вольфрам кристаллизуется в объемноцентрированной кубической решетке с периодом а =3,1647Å; плотность 19,3 г/см 3 , t пл 3410°C, t кип 5900°С. Теплопроводность (кал/см·сек·°С) 0,31 (20°С); 0,26 (1300°С).
· твердость по Бринеллю (кгс/мм 2) для спеченного слитка 200-230, для кованного слитка 350-400 (1 кгс/мм 2 = 10 Мн/м 2). При комнатной температуре Вольфрам малопластичен.
· удельное электрическое сопротивление при 20 °C 55×10 −9 Ом·м, при 2700 °C - 904×10 −9 Ом·м. Работа выхода электронов 7,21·10 -19 дж (4,55 эв), мощность энергии излучения при высоких температурах (вт/см 2): 18,0 (1000°С); 64,0 (2200°С); 153,0 (2700°С); 255,0 (3030°С).
· скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с.
· Механические свойства Вольфрама зависят от предшествующей обработки. Предел прочности при растяжении (кгс/мм 2) для спеченного слитка 11, для обработанного давлением от 100 до 430; модуль упругости (кгс/мм 1) 35000-38000 для проволоки и 39000-41000 для монокристаллической нити;
Вольфрам является одним из наиболее тяжелых и самым тугоплавким металлом. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.
Химические свойства вольфрама
Валентность от 2 до 6. Наиболее устойчив 6-валентный вольфрам. 3- и 2-валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.
Вольфрам имеет высокую коррозионную стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в оксид вольфрама VI; в соляной, серной и плавиковой кислотах почти не растворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. В смеси азотной и плавиковой кислоты растворяется, образуя вольфрамовую кислоту. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me 2 WO X , а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.
В обычных условиях Вольфрам химически стоек. При 400-500°С компактный металл заметно окисляется на воздухе до WO 3 . Пары воды интенсивно окисляют его выше 600°С до WO 3 . Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с Вольфрамом при высоких температурах (фтор с порошкообразным Вольфрамом - при комнатной). С водородом Вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500°С образует нитрид. При обычных условиях Вольфрам стоек к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100°С слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. В растворах щелочей при нагревании Вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей - быстро; при этом образуются вольфраматы. В соединениях Вольфрам проявляет валентность от 2 до 6, наиболее устойчивы соединения высшей валентности.
Вольфрам образует четыре оксида: высший - WO 3 (вольфрамовый ангидрид), низший - WO 2 и два промежуточных W 10 О 29 и W 4 O 11 . Вольфрамовый ангидрид - кристаллический порошок лимонно-желтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие оксиды и Вольфрам. Вольфрамовому ангидриду соответствует вольфрамовая кислота H 2 WO 4 - желтый порошок, практически не растворимый в воде и в кислотах. При ее взаимодействии с растворами щелочей и аммиака образуются растворы вольфраматов. При 188°С Н 2 WО 4 отщепляет воду с образованием WO 3 . С хлором Вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl 6 (t пл 275°С, t кип 348°C) и WO 2 Cl 2 (t пл 266°С, выше 300°С сублимирует), получаются при действии хлора на вольфрамовый ангидрид в присутствии угля. С серой Вольфрам образует два сульфида WS 2 и WS 3 . Карбиды вольфрама WC (t пл 2900°C) и W 2 C (t пл 2750°С) - твердые тугоплавкие соединения; получаются при взаимодействии Вольфрама с углеродом при 1000-1500°С.
Применение вольфрама
Вольфрам долгое время не находил практического применения. И только в конце XIX века замечательные свойства этого металла стали использоваться в промышленности. В настоящее время около 80 процентов добываемого вольфрама применяется в вольфрамовых сталях, около 15 процентов вольфрама используют для производства твердых сплавов.
Похожая информация.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Вольфрам - семьдесят четвертый элемент Периодической таблицы. Обозначение - W от латинского «wolframium». Расположен в шестом периоде, VIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 74.
По распространенности в земной коре вольфрам уступает хрому, но превосходит молибден. Природные соединения вольфрама в большинстве случаев представляют собой вольфраматы - соли вольфрамовой кислоты H 2 WO 4 . Так, важнейшая вольфрамовая руда - вольфрамит - состоит из вольфраматов железа и марганца. Часто встречается также минерал шеелит CaWO 4 .
Вольфрам - тяжелый белый металл (рис. 1) плотностью 19,3 г/см 3 . Его температура плавления (около 3400 o С), выше, чем температура плавления всех других металлов. Вольфрам можно сваривать и вытягивать в тонкие нити.
Рис. 1. Вольфрам. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса вольфрама
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии вольфрам существует в виде одноатомных молекул W, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 183,84.
Изотопы вольфрама
Известно, что в природе вольфрам может находиться в виде пяти стабильных изотопов 180 W, 182 W, 183 W, 184 W и 186 W.Их массовые числа равны 180, 182, 183, 184 и 186 соответственно. Ядро атома изотопа вольфрама 180 W содержит семьдесят четыре протона и сто шесть нейтронов, а остальные отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы вольфрама с массовыми числами от 158-ми до 192-х, а также одиннадцать изомерных состояния ядер.
Ионы вольфрама
На внешнем энергетическом уровне атома вольфрама имеется шесть электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5р 6 5d 4 6s 2 .
В результате химического взаимодействия вольфрам отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
W o -2e → W 2+ ;
W o -3e → W 3+ ;
W o -4e → W 4+ ;
W o -5e → W 5+ ;
W o -6e → W 6+ .
Молекула и атом вольфрама
В свободном состоянии вольфрам существует в виде одноатомных молекул W. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу вольфрама:
Сплавы вольфрама
Большая часть добываемого вольфрама расходуется в металлургии для приготовления специальных сталей и сплавов. Быстрорежущая инструментальная сталь содержит до 20% вольфрама и обладает способностью самозакаливаться. Такая сталь не теряет своей твердости даже при нагревании докрасна.
Кроме быстрорежущих широко применяются другие вольфрамовые и хромовольфрамовые стали. Например, сталь, содержащая от 1 до 6% вольфрама и до 2% хрома, применяется для изготовления пил, фрез, штампов.
Как самый тугоплавкий металл вольфрам входит в состав ряда жаропрочных сплавов. В частности, его сплавы с кобальтом и хромом - стеллиты - обладают высокими твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью. Сплавы вольфрама с медью сочетают в себе высокие электрическую проводимость, теплопроводность и износоустойчивость. Они применяются для изготовления рабочих частей рубильников, выключателей, электродов для точечной сварки.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1